Ученые раскрывают удивительные секреты катализатора 40-летней давности

«Силикалит титана-1» (TS-1) не является новым катализатором: прошло почти 40 лет с момента его разработки и открытия его способности превращать пропилен в оксид пропилена, важный базовый химикат в химической промышленности. Теперь, объединив различные методы, команда ученых из ETH Zurich, Кельнского университета, Института Фрица Габера и BASF раскрыла удивительный механизм действия этого катализатора. Из Кельна была задействована рабочая группа профессора д-ра Альбрехта Беркесселя на кафедре химии. Эти результаты помогут исследованию катализаторов сделать важный шаг вперед.

Оксид пропилена используется в промышленности для производства таких продуктов, как полиуретаны, антифризы и гидравлические жидкости. Ежегодно в химической промышленности во всем мире производится более 11 миллионов метрических тонн оксида пропилена, из которых 1 миллион метрических тонн уже произведен путем окисления пропилена перекисью водорода. Эта химическая реакция катализируется TS-1, микропористым кристаллическим материалом, состоящим из кремния и кислорода и содержащим небольшое количество титана. Катализатор успешно используется уже 40 лет, и эксперты предположили, что активный центр в TS-1 содержит отдельные изолированные атомы титана, которые обеспечивают особую реакционную способность катализатора.

Команда исследователей из ETH Zurich, Кельнского университета, Института Фрица Габера и BASF подвергла сомнению это предположение.

«В последние годы возникли сомнения относительно правильности предположения о механизме действия, поскольку оно основывается в первую очередь на аналогиях с сопоставимыми катализаторами и меньше на экспериментальных данных. Но если вы попытаетесь оптимизировать катализатор на основе ошибочного предположения, это будет очень сложно и может привести вас в совершенно неверном направлении. Поэтому было важно более внимательно изучить это предположение», — объясняет ученый BASF доктор Энрике Телес, один из соавторов научной публикации, отправной точки для сотрудничества.

В исследовании, опубликованном в настоящее время в Nature, команда смогла с помощью твердотельного ЯМР-исследования и компьютерного моделирования показать, что для объяснения конкретной каталитической активности необходимы два соседних атома титана. Это, в свою очередь, привело исследовательскую группу к выводу, что атомы титана не изолированы, а скорее каталитически активный центр состоит из пары титана.

«Ни один из методов, которые мы использовали в исследовании, не является принципиально новым, но ни одна из исследовательских групп, участвовавших в исследовании, не смогла бы провести исследование самостоятельно», — подчеркивает профессор Кристоф Коперет из ETH Zurich, автор публикации. «Только сочетание различных областей знаний и различных методов позволило более внимательно изучить активный центр катализатора».

«Мы много лет работали над выяснением механизма реакции гомогенного титанового катализатора и обнаружили, что — вопреки предположениям в литературе — перекись водорода активируется парой титана. Это был действительно особенный момент, когда мы увидели в текущем исследовании, что результаты гомогенного катализа также применимы к гетерогенному катализу», — сказал соавтор профессор Альбрехт Беркессель из Кельнского университета.

А доктор Томас Лункенбейн, соавтор из Института Фрица Хабера в Берлине, добавляет: «Мы очень рады, что смогли внести свой вклад в это исследование. С помощью нашей аналитики мы смогли обосновать выводы. Знание об активном центре двухатомных атомов имеет фундаментальное значение и открывает новые возможности в исследованиях катализаторов».

Источник

Метки: силикалит